Премия за нарушения

19

НОВОСТИ НАУКИ

ПРЕМИЯ ЗА НАРУШЕНИЯ

Нобелевская премия по физике в 2008 году присуждена за фундаментальные теоретические исследования по нарушению глобальных симметрий в мире элементарных частиц. Сама премия также несимметрична. Половину премии получил 87-летний американский физик японского происхождения Йоичиро Намбу (Институт Энрико Ферми Чикагского университета, США). Свою главную работу он выполнил более 50 лет назад (совместно с итальянским физиком Джованни Йона-Лазиньо) в университете города Осака (Япония). Формулировка награждения – «за пионерские идеи о возможности спонтанного нарушения киральной симметрии». Вторую половину премии разделили два японских физика – Макото Кобаяши (Исследовательский центр ускорителя высоких энергий, Цукуба, Япония) и Тошихидэ Маскава (Институт теоретической физики Киотского университета, Япония) – «за открытие природы нарушенной симметрии, которое предсказывает существование в природе по крайней мере трех семейств кварков». Нелегко разобраться в этих формулировках. Казалось бы, в проблеме нарушения симметрии само понятие «симметрия» не так уж сложно. Однако речь идет при этом не о тривиальных пространственных симметриях, например в кристаллах. Еще в 1927 году создатель геохимии, естествоиспытатель и философ В.И.Вернадский писал: «Новым в науке явилось не выявление принципа симметрии, а выявление его всеобщности». Современное понятие симметрии включает: а) объект или явление, симметрия которого рассматривается; б) преобразования, по отношению к которым рассматривается симметрия; в) инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающую рассматриваемую симметрию. Такое понятие симметрии шире понятия «законы природы». Можно сказать, что симметрия создает законы, лежит в их основе. Например, симметрии параллельного переноса в пространстве (иначе говоря, однородности пространства) соответствует закон сохранения импульса, симметрии переноса начала времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии. Гораздо более сложные и не совсем очевидные симметрии удается обнаружить в мире элементарных частиц. Киральная (в химии это правоили левовинтовая) симметрия в случае субатомных частиц – это инвариантность уравнений, описывающих их поведение, относительно изменения так называемой скрытой винтообразности частиц.

Макото Кобаяши

01_24.p65

Тошихидэ Маскава

Согласно гипотезе Намбу, из-за взаимодействия частиц с физическим вакуумом эта внутренняя симметрия с конечной вероятностью может самопроизвольно нарушиться. Объектами преобразованных свойств в модели Намбу были гипотетические очень мелкие частицы, из которых в случае нарушения симметрии могли «образоваться» мезоны, барионы и гипероны. Последних к тому времени наоткрывали на ускорителях уже многие десятки, а вскоре их число перевалило за три сотни – появился целый «зоопарк», как тогда шутили физики. Работа Намбу и Йона-Лазиньо была первой попыткой навести порядок в этом «зоопарке», выявить наиболее фундаментальные «кирпичики бытия». Она подготовила появление через 10 лет (1964 г.) кварковой модели адронов. Работа Кобаяши и Маскава связана с нарушением двух других симметрий в мире элементарных частиц – пространственной и зарядовой. Пространственная симметрия в этом случае связана с зеркальным отображением. В обыденной жизни мы привыкли к тому, что в зеркале левое меняется на правое и наоборот. Про микрообъекты современной физики, которые после преобразования отражения превращаются в своих «антиподов», говорят, что они нечетные (их «четность» равна –1). В мире элементарных частиц есть как четные, так и нечетные. Правила, связанные с сохранением четности в процессах микромира, рассматриваются как проявление Р-симметрии (от английского parity – четность). Под зарядовой симметрией понимают сохранение суммарных зарядов, каждого по отдельности – электрического, барионного и лептонного, в процессах взаимодействия объектов между собой. У частиц и античастиц эти заряды имеют противоположные знаки. Зарядовая симметрия обозначается как С-симметрия (charge – заряд). В 1956 году было обнаружено нарушение четности – оказалось, что правило сохранения четности не является законом. Тогда в 1957 году был сформулирована гипотеза сохранения «комбинированной четности», так называемая СР-инвариантность – если меняется четность, то вместе с ней должны измениться знаки зарядов, т.е. частицы должны замениться на античастицы (Л.Ландау, Т.Ли. А.Салам и Ч.Янг). Незамедлительно последовало экспериментальное подтверждение (талантливая физик-экспериментатор Ц.Ву). Гипотеза стала законом. Когда в 1964 году появилась 3-кварковая гипотеза Гелл- Мана и Цвейга, она учитывала этот закон. И вдруг в это же время был обнаружен случай нарушения СР-инвариантности (в экспериментах по изучению распадов нейтрального Кмезона). Казалось, что кварковая гипотеза опровергнута. Но именно тогда Кобаяши и Маскава выдвинули свою гипотезу о возможности самопроизвольного (спонтанного) нарушения этой симметрии. Для этого им пришлось предположить, что в природе существуют не три кварка, а шесть – три пары кварков. Сегодня физики говорят о трех «семействах» кварков и о соответствующих им трех «семействам» лептонов. В этом заключается сущность современной так называемой стандартной модели микромира. Итак, три физика, две работы, обе – предшественницы будущих открытий и обе связаны с нарушениями симметрии. Нобелевская «награда за нарушения», пусть и спустя много лет, нашла своих героев.

Йоичиро Намбу

Л.Белопухов

22

КВАНТ 2009/№1

Рис. 6

Заметим, что октаэдр и додекаэдр (рис.6) также имеют правильные шестиугольные сечения, так что получаются аналогичные конструкции из октаэдров и додекаэдров (рис.7, 8).

Рис. 11

Рис. 7

Рис. 8

Теперь рассмотрим расположение правильных десятиугольников, как показано на рисунке 9. Заметим, что икосаэдр, додекаэдр, а также усеченный икосаэдр (форма молекулы фулерена $C_{60} )$ имеют правильное десятиуголь- ное сечение. Получается кладка из самозаклинивающихся икосаэдров (рис.10), новая кладка из додекаэдров (рис. 11) и кладка из усеченных икосаэдров (рис.12). Мы несколько раз, казалось бы, немного изменяли описание конструкций. Однако всякий раз такое изменение приводило к новым результатам. Язык стрелок, позволяющий описывать наклоны граней, привел к появлению конструкции из кубов, описание самозаклиненной кладки из кубов через шестиугольное сечение позволило Рис. 12 обобщить конструкцию, построить системы из октаэдров и додекаэдров, а затем – и других тел. Рассуждения с движением сторон сечения позволяют строить самозаклиненные конструкции регулярным образом. Наличие языка очень важно в математике, и точные слова, несмотря на кажущуюся «незначительность» переформулировок, приводят к новым результатам. Довольно хорошо известен арочный эффект, когда из камней без цемента еще в древности складывали арку (рис.13). Однако теоретически возможно создать не только классическую выпуклую, но и вогнутую арку!

Упражнение 7. Придумайте конструкцию вогнутой арки. Указание. Рассмотрите слой между двумя концентрическими сферами. В малом он устроен как слой между двумя плоскостями, и его можно сделать заклиненным в обе

Рис. 9

01_24.p65

Рис. 10